高壓直流電影響區(qū)域的閥室風(fēng)險(xiǎn)綜合防護(hù)

張國虎 張 平 屠海波 陳曉利 曹國飛

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041; 2. 中國石油西氣東輸管道公司, 上海 200122

0 前言

隨著國內(nèi)高壓直流輸電技術(shù)的普遍應(yīng)用,接地極放電對(duì)天然氣輸氣管道的影響逐漸顯現(xiàn)出來,特別是管道干擾到高電壓、大電流時(shí)對(duì)沿線設(shè)備造成損壞、閥室局部放電等問題。天然氣管道系統(tǒng)中的自控設(shè)備、電力設(shè)備、陰保設(shè)備及通信設(shè)備可能會(huì)受到高壓直流干擾所產(chǎn)生的高電壓和大電流影響,從而影響管道的安全運(yùn)行[1-13]。

在國內(nèi)外,已有多個(gè)高壓直流干擾報(bào)告案例及相關(guān)分析[14-16]。2013年12月24日,南方電網(wǎng)所轄±800 kV云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)故障,采取單極大地返回方式運(yùn)行過程中,將直流電流泄放入清遠(yuǎn)市清新縣魚龍嶺接地極,接地極入地電流為3 125 A,導(dǎo)致廣東省天然氣管網(wǎng)從化分輸站BV 1101氣液聯(lián)動(dòng)球閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)Line Guard控制箱引壓管絕緣卡套位置發(fā)生持續(xù)3個(gè)多小時(shí)的放電燒蝕,造成引壓管絕緣卡套表面氧化,其內(nèi)襯的絕緣套被炭化。位于絕緣卡套正上方的引壓管也被高溫氧化為黑色,同時(shí)引壓管向左右傳導(dǎo)熱量熔化了固定于絕緣卡套附近的塑料管卡。該事故說明引壓管絕緣卡套密封和絕緣失效,存在引起燃燒、爆炸事故的可能[17]。

高壓直流接地極放電對(duì)管道的干擾,將造成引壓管放電或者絕緣卡套燒穿、陰極保護(hù)設(shè)備及電涌保護(hù)裝置毀壞、電壓過高威脅操作人員安全等風(fēng)險(xiǎn)。因此,有必要對(duì)管道閥室緩解與防護(hù)措施進(jìn)行研究,以有效防控高壓直流電干擾區(qū)域的閥室風(fēng)險(xiǎn)。

1 緩解目標(biāo)

關(guān)于高壓直流接地極放電對(duì)管道及設(shè)備、設(shè)施的干擾,國內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行過相關(guān)研究。毛建等[17]結(jié)合高壓直流接地極放電實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)高壓直流接地極放電給油氣輸送管道帶來的危害進(jìn)行了系統(tǒng)辨識(shí),并將高壓直流接地極對(duì)管道系統(tǒng)造成的危害進(jìn)行了歸納分類,其中關(guān)于閥室的危害主要為:排流器燒蝕和接地材料消耗過快、閥室工藝設(shè)備燒蝕、防雷器燒蝕、絕緣接頭擊穿、陰極保護(hù)設(shè)備燒蝕以及人員觸電。同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式,分析確定了自動(dòng)控制設(shè)備壓力變送器、電子控制單元、溫度變送器、引壓管絕緣接頭,以及區(qū)域范圍內(nèi)的各級(jí)防浪涌保護(hù)裝置、陰保電源設(shè)備、電位傳送器、電力設(shè)備和通信設(shè)備等在存在高電壓、高電流和長時(shí)間干擾下的耐受能力,研究各設(shè)備、設(shè)施可靠運(yùn)行邊界條件[18]。

緩解目標(biāo)的確定是在控制風(fēng)險(xiǎn)、保證安全的前提下,結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可行性綜合考慮,以安全適用為原則。根據(jù)高壓直流接地極干擾對(duì)油氣管道系統(tǒng)的危害辨識(shí)及對(duì)輸氣閥室儀表影響的研究[17-18],結(jié)合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 437[19],提出高壓直流接地極干擾對(duì)設(shè)備、設(shè)施安全影響的緩解目標(biāo),主要有以下幾點(diǎn)。

1)保證操作人員安全,將管地電位降到35 V以下;跨步電壓限值應(yīng)滿足式(1)的要求,且不大于50 V。

Em=7.42+0.0318ρs

(1)

式中:Em為地面最大允許跨步電壓,V/m;ρs為表層土壤電阻率,Ω·m。

2)閥室引壓管、絕緣接頭不發(fā)生電弧和燒蝕,將引壓管上絕緣卡套兩側(cè)電壓差降到10 V以內(nèi)。

3)陰極保護(hù)設(shè)備、浪涌保護(hù)裝置不發(fā)生損毀;不影響正常工況下陰極保護(hù)的保護(hù)范圍,接地網(wǎng)不泄漏陰極保護(hù)電流。

2 綜合防護(hù)措施建議

為達(dá)到緩解目標(biāo)并防控風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)根據(jù)干擾程度和工況條件,采取有效可行的綜合防護(hù)措施,總體思路如下。

1)從源頭控制,減少隱患點(diǎn)。

2)提高薄弱設(shè)備的抗風(fēng)險(xiǎn)能力,采用耐受性能好的設(shè)備設(shè)施。

3)降低設(shè)備上的電壓和電流,減輕干擾程度。

4)提前分流降壓,減輕對(duì)閥室的沖擊。

對(duì)于常規(guī)的防護(hù)措施,如保障人身安全的絕緣防護(hù)、鋪設(shè)礫石或?yàn)r青、設(shè)置等電位網(wǎng)格等,以及相關(guān)的線路部分防護(hù)措施本文不再累述,僅針對(duì)高壓直流電影響區(qū)域的閥室風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的特殊防護(hù)措施進(jìn)行研究。

2.1 減少隱患點(diǎn)的措施

氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、RTU等自控設(shè)備儀表上絕緣卡套/墊片多,為主要的隱患點(diǎn)。取消或優(yōu)化閥室絕緣卡套的數(shù)量和安裝位置,為有效的防護(hù)措施。

2.1.1 從工藝流程優(yōu)化絕緣接頭安裝位置

對(duì)處于高壓直流接地極影響區(qū)域的閥室,將絕緣接頭安裝在進(jìn)、出閥室外側(cè)。將圖1所示的安裝方式,優(yōu)化為圖2所示的安裝方式。這樣可避免在截?cái)嚅y的氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電子控制單元、RTU等自控設(shè)備儀表上設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)高的絕緣卡套/墊片等,達(dá)到消除該類隱患點(diǎn)的目的。同時(shí),還能以閥室絕緣接頭為界分段隔離,大幅縮短直流干擾的影響范圍,減少干擾電流流入管內(nèi)的累計(jì)電流量并降低電位波動(dòng)幅度。

2.1.2 優(yōu)化核減絕緣卡套數(shù)量

氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)絕緣卡套多,相應(yīng)出現(xiàn)問題產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的隱患點(diǎn)就多,尤其是在施工或維修中,操作人員的旋擰可能會(huì)損壞引壓管線上的絕緣卡套。為減少氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)絕緣卡套,建議取消氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電子控制單元及配套的壓降速率電磁閥和壓力傳感器,從而取消壓降速率電磁閥兩端及壓力傳感器引壓管線上的絕緣卡套。

從圖3可知,所有電動(dòng)儀表和接線箱均作了接地處理,為避免陰極電流被泄放，均在其與主干管道之間設(shè)置了絕緣措施,包括絕緣卡套、絕緣墊片、絕緣接頭等措施。

優(yōu)化后的RTU閥室氣液聯(lián)動(dòng)球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝見圖4,優(yōu)化后的普通閥室氣液聯(lián)動(dòng)球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝見圖5。

從圖4可知,取消了電子控制單元,壓降速率檢測(cè)由RTU完成,同時(shí)取消了引壓管絕緣卡套,改為整體型絕緣接頭。

從圖5可知,壓降速率檢測(cè)依然由電子控制單元完成,取消壓力傳感器,改裝壓力變送器,壓力信號(hào)直接進(jìn)入電子控制單元,取消壓力傳感器引壓管絕緣卡套,改為整體型絕緣接頭。

2.1.3 采用鋅包鋼接地材料

采用滿足GB 50650-2011《石油化工裝置防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]要求的鋅包鋼接地材料,可取消自控設(shè)備儀表上的全部絕緣卡套,消除大的風(fēng)險(xiǎn)隱患,將管道與接地網(wǎng)直接連接,也不影響正常工況下線路陰極保護(hù)的保護(hù)范圍和陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)由于取消了全部絕緣設(shè)施,管道與接地網(wǎng)直接連接,管道與大地間不會(huì)形成較大的電位差,不會(huì)對(duì)站立在大地上的操作人員造成電擊傷害。

圖1 優(yōu)化前閥室典型流程圖Fig.1 Typical flow chart of valve chamber before optimization

圖2 優(yōu)化后閥室典型流程圖Fig.2 Typical flow chart of valve chamber after optimization

圖3 優(yōu)化前的氣液聯(lián)動(dòng)球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.3 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve before optimization

圖4 優(yōu)化后的RTU閥室氣液聯(lián)動(dòng)球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.4 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in RTU valve chamber before optimization

圖5 優(yōu)化后的普通閥室氣液聯(lián)動(dòng)球閥部分絕緣接頭(卡套、墊片)安裝示意圖Fig.5 Installation diagram for insulation joint(cutting ferrule,gasket)of gas-liquid linkage ball valve in normal valve chamber before optimization

在高壓直流電劇烈干擾區(qū)域,閥室接地材料采用鋅包鋼接地材料,即使發(fā)生限壓等電位連接裝置損壞,或長輸管道發(fā)生較多的絕緣設(shè)施漏裝、搭接等原因?qū)е碌拈y室漏電,造成被保護(hù)管道與接地體電氣連通的情況,由于鋅包鋼材料自然電位在管道保護(hù)電位之內(nèi),也不會(huì)漏失過多線路陰保系統(tǒng)的電流,對(duì)線路保護(hù)范圍造成不利影響,不會(huì)形成閥室保護(hù)電位漏斗,也就不會(huì)影響陰保系統(tǒng)的運(yùn)行,還可以為管道提供一定的保護(hù)電流,且理論計(jì)算,鋅包鋼接地材料的壽命也比扁鋼長20年以上。采用鋅包鋼接地材料的不利之處是會(huì)影響強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)瞬間斷電法測(cè)試及防腐層地面檢漏測(cè)試的有效性和準(zhǔn)確性。

2.2 提高設(shè)備、設(shè)施的耐受性能

2.2.1 采用耐受性能強(qiáng)的整體型絕緣接頭

絕緣卡套本身間隙小,持續(xù)的灰塵堆積會(huì)對(duì)間隙寬度產(chǎn)生更為明顯的影響,在空氣濕度較大的條件下,也可能發(fā)生表面放電現(xiàn)象,造成絕緣性能下降。同時(shí)其結(jié)構(gòu)為螺紋連接,施工安裝中的一些不當(dāng)操作,如引壓管安裝時(shí)過度的擰、拉、轉(zhuǎn),都容易造成絕緣卡套內(nèi)部變形,使得絕緣間隙更小,甚至導(dǎo)致其絕緣失效,持續(xù)的干擾電流流過絕緣卡套而產(chǎn)生的溫升將帶來絕緣卡套的炭化、密封失效等影響。

SY/T 0516-2016《絕緣接頭和絕緣法蘭技術(shù)規(guī)范》[21]第4.4中規(guī)定“設(shè)計(jì)壓力大于1.0 MPa的絕緣接頭,應(yīng)采用各零件之間緊密連接的整體型結(jié)構(gòu),不允許采用螺紋連接。結(jié)構(gòu)主體宜為整體鍛制或鍛制本體與鋼質(zhì)短管焊接的連接結(jié)構(gòu)”。同時(shí),該標(biāo)準(zhǔn)第7.2.1中規(guī)定“當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于或等于1.0 MPa或輸送易燃易爆介質(zhì)時(shí),絕緣接頭應(yīng)采用整體式結(jié)構(gòu)”。

整體型的絕緣接頭較絕緣卡套結(jié)構(gòu)更緊密,短管焊接的施工方式也避免了施工對(duì)其內(nèi)部的損害,安裝可靠性更高。

通過以上分析可以看出,整體型絕緣接頭由于密封結(jié)構(gòu)更緊密、絕緣密封件更厚,在耐受高電壓沖擊、防止施工不當(dāng)旋擰或損傷、防止水份或灰塵聚集等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此新建工程在工藝流程允許的條件下,應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)推薦的規(guī)定,采用整體型絕緣接頭替換絕緣卡套,提高工藝系統(tǒng)的整體性能。

2.2.2 提高陰極保護(hù)設(shè)備耐受性能

目前常規(guī)的陰極保護(hù)恒電位儀,即使在自動(dòng)停機(jī)模式下,也并不是處于設(shè)備電纜與管道物理斷開狀態(tài),陽極線、陰極線之間(陽極線、零位接陰之間)還是承受著持續(xù)的高電壓、大電流,超過其自身耐受能力時(shí),還是無法避免發(fā)生設(shè)備損壞的情況。

接地極干擾區(qū)域內(nèi)的恒電位儀可配備斷路保護(hù)裝置,當(dāng)其電氣連通端(包括輸出陰極、零位接陰)的電流、電壓超過設(shè)備耐受性能,斷路保護(hù)裝置能及時(shí)瞬間斷開設(shè)備與管道的電氣連接,物理上實(shí)現(xiàn)電隔離,使得接地極放電形成的高電壓、大電流沒有了進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的通道,待強(qiáng)干擾過去后,自動(dòng)重新連接,恢復(fù)恒電位儀的工作狀態(tài)。此方式對(duì)高電壓、大電流均具有防護(hù)作用。

2.2.3 采用耐受性能強(qiáng)的防電涌保護(hù)器

對(duì)于常規(guī)防電涌保護(hù)器,高壓接地極長時(shí)間放電可能造成超過其耐受性能的干擾,導(dǎo)致設(shè)備損壞,在實(shí)際工程中也有損壞的案例[22]。因此采用性能更佳的新型大功率排流器、自動(dòng)合閘裝置等替換常規(guī)防電涌保護(hù)器,在保證設(shè)備免遭損壞的同時(shí),能更有效地緩解干擾對(duì)閥室的影響。

2.3 減輕干擾程度的措施

設(shè)置限壓等電位連接保護(hù)裝置可有效降低管道與大地之間的電壓差并減輕干擾程度,是避免閥室引壓管、絕緣接頭發(fā)生電弧和燒蝕,陰極保護(hù)設(shè)備遭到損壞的有效手段。在接地極放電時(shí),一旦管地電位超過監(jiān)測(cè)的閾值電壓(如±2 V),限壓等電位連接保護(hù)裝置將啟動(dòng),將管道與接地網(wǎng)直接導(dǎo)通,降低管道與大地間的電位差,形成等電位,從而減小絕緣卡套兩端的電位差,起到保護(hù)絕緣卡套的作用。

實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的方式包括安裝大功率排流器、固態(tài)去耦器、自動(dòng)合閘裝置等。當(dāng)泄放直流電流量不超過15 A時(shí)可選用固態(tài)去耦器;當(dāng)泄放直流電流量超過15 A且小于100 A時(shí),可選用大功率排流器、自動(dòng)合閘裝置。等電位保護(hù)器僅具備瞬間(10 s)導(dǎo)通功能,火花間隙啟動(dòng)電壓高(500～1 500 V),它們都不適用于等電位連接限壓保護(hù)。

廣東管網(wǎng)工程干線某閥室在接地極2 400 A陽極放電時(shí),采用限壓等電位連接保護(hù)裝置排流前閥室附近管道對(duì)地電位接近-140 V,排流后電位為-4 V,跨接通過的泄放直流電流量為-32 A,從排流前后管道對(duì)地電位的變化可以看出,排流保護(hù)方式有效降低了管道對(duì)地的電位(即絕緣卡套兩端的電壓差)。

2.4 提前分流降壓措施

線路管道上采用鋅帶接地與管道并聯(lián),利用鋅帶接地較低的接地電阻,一般為1～2Ω,可使帶防腐層的管道電阻率大為降低,從而使管地電位偏移程度大幅降低;同時(shí)在正電位區(qū)域使管內(nèi)雜散電流主要從接地電阻較低的鋅帶排出,取代從管道破損點(diǎn)(破損點(diǎn)通常接地電阻超過1 000 Ω)流出,從而減輕管道腐蝕的程度;在線路管道各處設(shè)置一定數(shù)量的排流保護(hù)鋅帶接地,可起到多點(diǎn)提前排流的作用,有效減輕閥室設(shè)施設(shè)備排流和防護(hù)的壓力。

在線路管道上采用鋅帶接地排流防護(hù),可減輕線路管道腐蝕程度,有效降低管地電位,也可起到管內(nèi)電流提前分流的作用,減少流向站場(chǎng)、閥室的干擾電流量。

3 結(jié)論

對(duì)處于高壓直流電影響區(qū)域的閥室,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)試的結(jié)果,預(yù)測(cè)和評(píng)估主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。為達(dá)到緩解目標(biāo)并降低防控風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)干擾程度和工況條件,應(yīng)采取有效可行的綜合防護(hù)措施,包括以下四點(diǎn)。

1)優(yōu)化絕緣卡套安裝位置并減少卡套數(shù)量,從源頭控制,減少隱患點(diǎn)。

2)采用耐受性能好的設(shè)備設(shè)施,如整體型絕緣接頭、耐受性能更好的陰極保護(hù)設(shè)備等,提高薄弱設(shè)備的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

3)根據(jù)高壓直流接地極泄放電流量的大小設(shè)置合理的限電壓等電位連接保護(hù)裝置,減輕干擾程度。

4)在線路管道上采用鋅帶接地排流防護(hù),提前分流降壓。